DE4020833C2

DE4020833C2 - Laser sensor

Info

Publication number: DE4020833C2
Application number: DE19904020833
Authority: DE
Inventors: Gunther Dr Sepp; Walter Dipl Phys Dr Hermann
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2010-06-30
Also published as: DE4020833A1; GB2247129A; GB2247129B; FR2664041A1; FR2664041B1; GB9113880D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lasersensor gemäß dem Gattungsbe griff des Anspruchs 1.The invention relates to a laser sensor according to the genus handle of claim 1.

Lasersensoren sind in den verschiedensten Ausführungsformen bereits be kannt. Für Meßaufgaben, bei denen zwei Objekte gleichzeitig erfaßt wer den und vermessen werden, benötigt der Stand der Technik bisher einen Lasersensor mit einem Umlenkspiegel für zwei Raumrichtungen, oder zwei komplette Lasersensoren mit festen Raumrichtungen. Solche Lasersensoren sind beispielsweise aus der Druckschrift der Anmelderin DE 32 07 382 C2 oder den weiteren Druckschriften DE 35 43 993 A1 und DE-OS 22 47 161 bekannt. Weiterhin ist es bekannt, am/cw-Diodenlaser-Sensoren mit zweikanaliger phasenempfindlicher Gleichrichtung zur Entfernungsmessung zu verwenden.Laser sensors are already in various embodiments knows. For measuring tasks in which two objects are detected simultaneously the and the state of the art has so far required one Laser sensor with a deflecting mirror for two spatial directions, or two complete laser sensors with fixed spatial directions. Such laser sensors are for example from the publication of the applicant DE 32 07 382 C2 or the other publications DE 35 43 993 A1 and DE-OS 22 47 161 known. Furthermore, it is known to use two-channel am / cw diode laser sensors to use phase sensitive rectification for distance measurement.

Alle vorgenannten Ausführungsformen zur Erzeugung der Meßsignale benöti gen zwei Empfangskanäle und sind daher sowohl in Aufbau und Funktion, als auch material- und montagemäßig zu aufwendig.All of the aforementioned embodiments are required to generate the measurement signals gen two reception channels and are therefore both in structure and function, and too expensive in terms of material and assembly.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lasersensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der die vorstehend aufgeführten Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweist und durch Verzicht auf Umlenk spiegel oder zwei komplette Sensoren nur einen reduzierten Aufwand benö tigt, und bei dem trotzdem die Anwendung auf Meßaufgaben der Regelungs technik dadurch ermöglicht wird, daß die aus dem von zwei verschiedenen Objekten stammenden Empfangssignale derart zu einem einzigen Meßsignal zusammengefaßt werden, daß dieses Meßsignal dann als Regelsignal verwen det werden kann.The invention has for its object a laser sensor of the beginning to create the type mentioned, the disadvantages of the above Does not have the prior art and by doing without deflection mirror or two complete sensors only require a reduced effort tigt, and yet the application to measurement tasks of the control technology is made possible by the fact that from two different Objects received signals in such a way to a single measurement signal can be summarized that this measurement signal is then used as a control signal can be detected.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen aufgezeigt, und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungs beispiel erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen: This object is achieved by the measures outlined in claim 1 solves. Refinements and developments are in the subclaims shown, and in the description below is an embodiment example explained and sketched in the figures of the drawing. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Lasersen sors mit zwei Meßstrahlen und gemeinsamem Empfänger in schemati scher Darstellung, Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of a Lasersen sors with two measuring beams and a common receiver in schemati shear representation,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Prinzipschaltung eines Ausführungsbei spiels des Lasersensors, Fig. 2 is a block diagram of a basic circuit diagram of an exemplary embodiment of the laser sensor game,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Prinzipschaltung zur Leistungsregelung des beschriebenen Ausführungsbeispiels, Fig. 3 is a block diagram of a basic circuit for controlling the power of the described embodiment,

Fig. 4 ein Schemabild bezüglich einer Verwendungsmöglichkeit des Laser sensors zur Leitspurlenkung von fahrerlosen Transportsystemen. Fig. 4 is a schematic image of a possible use of the laser sensor for guidance guidance of driverless transport systems.

Der allgemeine Erfindungsgedanke der vorliegenden Erfindung sieht zur Lösung der gestellten Aufgabe vor, einen Lasersensor so zu konzipieren, daß aus zwei Lasermeßstrahlen durch Differenzbildung ein gemeinsames Regelsignal erzeugt wird, wobei der Sensoraufwand im wesentlichen nur mehr demjenigen eines Einzelsensors entspricht, der Sensor also mit nur einem Empfänger, einer Empfangsoptik, einem Detektor, einer Modulations einrichtung und einer einkanaligen Auswerteschaltung auskommt.The general inventive concept of the present invention provides Solution to the task presented to design a laser sensor so that a common one from two laser measuring beams by forming the difference Control signal is generated, the sensor effort essentially only corresponds more to that of a single sensor, i.e. the sensor with only a receiver, a receiving optics, a detector, a modulation device and a single-channel evaluation circuit.

Die Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung diese Konzeption, wobei von zwei Lasern 13 und 14, denen ein Modulator 15 zugeordnet ist, zwei Laser-Meßstrahlen 13b, 14b in verschiedene Raumrichtungen auf die Objek te 13a, 14a gerichtet sind, und diesen beiden Meßstrahlen im Rücklauf von diesen Objekten ein gemeinsamer Empfänger 30 mit Empfangsoptik 16a zugeordnet ist, welche die Empfangsstrahlen 13c, 14c dem Detektor 16 zuführt. Letzterer weist seinerseits ein Empfangsgesichtsfeld auf, das die beiden Raumrichtungen der Meßstrahlen 13b, 14b einschließt. Die Laser 13, 14 werden durch die Modulationseinrichtung 15 mit unterschied lichen Modulationssignalen periodisch moduliert. Fig. 1 shows this concept in a simplified representation, two lasers 13 and 14 to which a modulator is associated with 15, two laser measuring beams b 13 14 b in different spatial directions to the OBJEK te 13 a, 14 a are directed, and these two measuring beams in return from these objects are assigned a common receiver 30 with receiving optics 16 a, which feeds the receiving beams 13 c, 14 c to the detector 16 . The latter in turn has a reception field of view, which includes the two spatial directions of the measuring beams 13 b, 14 b. The lasers 13 , 14 are periodically modulated by the modulation device 15 with different modulation signals.

In dieser Ausführungskonzeption sind als Laser 13, 14 amplitudenmodu lierte, kontinuierlich strahlende am/cw-Diodenlaser vorgesehen, die im Gegentakt von einem gemeinsamen Oszillator mit zwei um 180° phasenver schobenen Ausgängen (Modulationseinrichtung 15) angesteuert werden.In this embodiment, lasers 13 , 14 are provided with amplitude modulation, continuously radiating am / cw diode lasers, which are driven in push-pull by a common oscillator with two 180 ° phase-shifted outputs (modulation device 15 ).

Dem Detektor 16 des Empfangers 30 ist eine einkanalige Auswerteschaltung 32 nachgeschaltet, deren Ausgang ein über mehrere Modulationsperioden gemitteltes Meßsignal 19 liefert. Diese Auswerteschaltung 32 ist gemäß Fig. 2 mit einem Wechselspannungsverstärker 16a versehen, dessen Signal einem phasenempfindlichen Gleichrichter 17 zugeführt wird, der von einem der beiden Ausgänge des Modulators 15 (Oszillator) angesteuert wird. Das Ausgangssignal dieses Oszillators bildet nach einem Tiefpaß 18 zur Mit telung über mehrere Modulationsperioden das Meßsignal 19.The detector 16 of the receiver 30 is followed by a single-channel evaluation circuit 32 , the output of which supplies a measurement signal 19 averaged over several modulation periods. This evaluation circuit 32 is provided in accordance with FIG. 2 with an AC voltage amplifier 16 a, the signal of which is fed to a phase-sensitive rectifier 17 which is controlled by one of the two outputs of the modulator 15 (oscillator). The output signal of this oscillator forms after a low-pass filter 18 for averaging over several modulation periods, the measurement signal 19th

Bei vielen Meßaufgaben der Regeltechnik muß die relative Lage zwischen den beiden Objekten 13a, 14a und einem weiteren, mit dem Lasersensor 12 verbundenen Objekt gemessen und geregelt werden. Bei Abweichungen von der Soll-Lage entsteht nach Mittelwertbildung über mehrere Modulations perioden durch den Tiefpaß 18 ein Regelsignal 19, dessen Vorzeichen die Richtung der jeweiligen Abweichung anzeigt. Die "Steilheit" der Regelung hängt von der absoluten Höhe der Empfangssignale 13c, 14c ab. Um diese Effekte zu kompensieren, wird vorgeschlagen, wiederholt kurzzeitig beide Laserdioden 13, 14 im Gleichtakt, d. h. ohne Phasenverschiebung anzusteu ern. Das Regelsignal 19 nach dem Gleichrichter 18 stellt jetzt die Summe der Empfangsintensitäten von beiden Objekten 13a, 14a dar. Durch eine geeignete Abstimmung von Strahlform und Objektform wird erreicht, daß diese Intensitätssumme genähert konstant ist für einen ausreichend großen Ablagenbereich um die Soll-Lage. Dieses Summensignal, das jetzt mit 19a bezeichnet ist, wird dann durch die gemeinsame Regelung der bei den Laserleistungen konstant gehalten. Hierzu sieht die Schaltung die Einrichtungen 21 bis 24 vor. Ein von einem Diskriminator 22 angesteuer ter Schalter 23 schaltet bei einer noch zu beschreibenden Bedingung von der Messung des Ablage-Regelsignals 19 auf die Messung des Laserlei stungssignals 19a um. Hierzu wird der Laser 14 vom 180° phasenverschobe nen Ausgang des Oszillators 15 auf dessen direkten Ausgang mit 0° umge schaltet, so daß beide Laser 13, 14 nunmehr nicht im Gegentakt, sondern im Gleichtakt strahlen. Das die erfolgte Umschaltung auf Leistungsrege lung anzeigende Umschaltsignal 23a sowie das entstehende Summensignal 19a der Empfangssignale 13c, 14c werden der Leistungsregeleinheit 24 der beiden Laser 13, 14 zugeführt. Zwischen beiden Lasern wird bei einer Ka librationsmessung eine Leistungs-Offset so eingestellt, daß das Ablage regelsignal 19 verschwindet, wenn die Soll-Lage vorliegt. Damit bleiben ungleichmäßige Intensitätsverteilungen innerhalb der beiden Laserstrah len 13a, 14a ohne Einfluß, da sie durch einen Leistungs-Offset zwischen den beiden Lasern 13, 14 kompensiert werden. Um die beiden verschiedenen Regelsignale 19, 19a auseinanderzuhalten, wird das Regelsignal 19 einer Sample-and-Hold-Stufe 21 zugeführt. Das jetzt nicht mehr aktive Ablage regelsignal 19 an deren Ausgang 21a wird durch das dem "Hold"-Eingang 21b vom Schalter 23 zugeführte Umschaltsignal 23a auf seinem letzten Wert vor dem Umschalten festgehalten und kann somit weiterhin für die Steuerung des FTS 60 verwendet werden.For many measurement tasks in control technology, the relative position between the two objects 13 a, 14 a and a further object connected to the laser sensor 12 must be measured and controlled. In the event of deviations from the target position, a low-pass filter 18 generates a control signal 19 after averaging over several modulation periods, the sign of which indicates the direction of the respective deviation. The "steepness" of the control depends on the absolute level of the received signals 13 c, 14 c. In order to compensate for these effects, it is proposed that both laser diodes 13 , 14 be briefly repeated in common mode, that is to say without a phase shift. The control signal 19 after the rectifier 18 now represents the sum of the reception intensities of both objects 13 a, 14 a Appropriate coordination of beam shape and object shape is achieved so that this intensity sum is approximately constant for a sufficiently large storage area around the target position. This sum signal, which is now designated 19 a, is then kept constant by the joint control of the laser powers. For this purpose, the circuit provides devices 21 to 24 . A controlled by a discriminator 22 ter switch 23 switches in a condition to be described from the measurement of the filing control signal 19 to the measurement of the laser line signal 19 a. For this purpose, the laser 14 is switched from the 180 ° phase-shifted output of the oscillator 15 to its direct output with 0 °, so that both lasers 13 , 14 now radiate not in push-pull but in common mode. The switchover signal 23 a that indicates the changeover to power control and the resulting sum signal 19 a of the received signals 13 c, 14 c are supplied to the power control unit 24 of the two lasers 13 , 14 . A power offset is set between the two lasers in a calibration measurement so that the storage control signal 19 disappears when the desired position is present. Uneven intensity distributions within the two laser beams 13 a, 14 a thus have no influence, since they are compensated for by a power offset between the two lasers 13 , 14 . In order to keep the two different control signals 19 , 19 a apart, the control signal 19 is fed to a sample-and-hold stage 21 . The now no longer active storage control signal 19 at its output 21 a is used for the control of the AGV 60 by the "Hold" input 21 b of the switch 23 supplied switching signal 23 a held at its last value prior to the switching, and thus can continue will.

Es ist vorteilhaft, die Leistungsregelung nur dann zu aktivieren, wenn die Soll-Lage vorliegt, d. h. das Ablage-Regelsignal verschwindet. Damit bleiben wiederum ungleichmäßige Intensitätsverteilungen innerhalb der beiden Laserstrahlen 13b, 14b ohne Einfluß. Zu diesem Zweck wird immer dann auf Leistungsregelung umgeschaltet, wenn das Ablage-Regelsignal 19 am Ausgang 21a eine vorbestimmte Größe unterschreitet. Diese Bedingung wird durch den Diskriminator 22 überprüft, dessen Ausgang gegebenenfalls dann den Schalter 23 betätigt. Nach erfolgter Leistungsregelung auf den vorbestimmten Wert gibt die Leistungsregeleinheit 24 ein Rückschaltsig nal 23b an den Schalter 23, so daß dieser wieder zum alten Zustand, d. h. zur Ablagemessung zurückschaltet. Das erhaltene Ablagesignal 19 ist ge nähert nicht mehr abhängig von Abstand der Objekte 13a, 14a, deren Re flexionsvermögen usw.It is advantageous to activate the power control only when the target position is present, ie the storage control signal disappears. In turn, uneven intensity distributions within the two laser beams 13 b, 14 b remain without influence. For this purpose, the system is always switched to power control when the filing control signal 19 at the output 21 a falls below a predetermined size. This condition is checked by the discriminator 22 , the output of which then possibly actuates the switch 23 . After power control to the predetermined value, the power control unit 24 outputs a reset signal 23 b to the switch 23 , so that it switches back to the old state, ie to the storage measurement. The storage signal 19 obtained is no longer dependent on ge depending on the distance of the objects 13 a, 14 a, their reflectivity etc.

Das in Fig. 4 beschriebene Ausführungsbeispiel eines fahrerlosen Trans portsystems FTS sieht vor, daß ein Retroreflektorband 11 an der Decke einer Werkhalle angebracht ist. Das FTS 60 ist zum Fahren entlang dieses Retroreflektorbandes 11 (Leitspur), dessen Ränder jetzt den Objekten 13a, 14a entsprechen, mit einer Zentraleinheit 50 mit Mikroprozessor 51 und Programmspeicher 52 versehen, der die Signale des Lasersensors 12, eines Lenksensors 53 und eines Rad-Umdrehungssensors 54 des FTS 60 zuge führt werden. Der Prozessor 51 ermittelt aus den eingehenden Sensorsig nalen 19, 53a, 54a sowie nach Maßgabe des Programmspeichers 52 die Sig nale 55a, 56a für die Lenkungs- 55 und Antriebseinrichtung 56 des FTS 60.The embodiment described in Fig. 4 of a driverless Trans port system FTS provides that a retroreflector band 11 is attached to the ceiling of a workshop. The AGVS 60 is provided for driving along this retroreflector band 11 (guide track), the edges of which now correspond to the objects 13 a, 14 a, with a central unit 50 with a microprocessor 51 and program memory 52 , which receives the signals from the laser sensor 12 , a steering sensor 53 and one Wheel rotation sensor 54 of the AGVS 60 are supplied. The processor 51 determines from the incoming sensor signals 19 , 53 a, 54 a and in accordance with the program memory 52, the signals 55 a, 56 a for the steering 55 and drive device 56 of the AGV 60 .

Auch hier hängt die Steilheit der Regelung von der absoluten Höhe der Empfangssignale ab, also z. B. vom Zustand (Reflexionsvermögen) des Re troreflektors 11 und von dem Abstand der Objekte 13a, 14a vom Sensor 12. Durch vorstehend erläuterte Maßnahmen ist nun ein Lasersensor der ein gangs genannten Art geschaffen worden, der in seiner Funktion bei Meß aufgaben der Regelungstechnik praktisch zwei kompletten Einzelsensoren entspricht, wobei der Bauteileaufwand im wesentlichen (mit Ausnahme eines zweiten Lasers mit Sendeoptik) demjenigen eines Einzelsensors entspricht.Here too, the steepness of the control depends on the absolute level of the received signals. B. from the state (reflectivity) of the re troreflektor 11 and the distance of the objects 13 a, 14 a from the sensor 12 . Through the measures explained above, a laser sensor of the type mentioned above has now been created, which in its function for measurement tasks in control engineering corresponds practically to two complete individual sensors, the component expenditure essentially (with the exception of a second laser with transmitting optics) corresponding to that of an individual sensor.

Claims

1. Laser sensor with two laser measuring beams, which are assigned two lasers with transmitting optics and a receiving device, characterized in that the laser measuring beams ( 13 b, 14 b) are directed in different spatial directions and these two measuring beams have a common receiver ( 30 ) a receiving optics ( 16 b) and a detector ( 16 ) is assigned, the field of view of which contains the spatial directions of the two laser measuring beams ( 13 b, 14 b), that the lasers ( 13 , 14 ) by a modulation device ( 15 ) with different Modulation signals are periodically modulated, and that the detector ( 16 ) is followed by a single-channel evaluation circuit ( 32 ), the output of which provides a measurement signal ( 19 ) averaged over several modulation periods, the sign and magnitude of which depend on the difference in the intensities, which are caused by the two laser measuring beams ( 13 b, 14 b) hit objects ( 13 a, 14 a) such as Ra nd zones of a retroreflector band ( 11 ) are scattered back into the reception field of view of the receiver ( 30 ).

2. Laser sensor according to claim 1, characterized in that the lasers ( 13 , 14 ) are amplitude-modulated, continuously radiating (am / cw) - diode lasers, which in push-pull from a common oscillator ( 15 ) with two 180 ° phase-shifted outputs as a modulation device ( 15 ) can be controlled.

3. Laser sensor according to claims 1 and 2, characterized in that the evaluation circuit ( 32 ) has an AC voltage amplifier ( 16 a), at the input of which the signal of the detector ( 16 ) is applied, the output signal of which is fed to a phase-sensitive rectifier ( 17 ) which is controlled by one of the two outputs of the oscillator ( 15 ) and whose output signal forms the measurement signal ( 19 ) after a low-pass filter ( 18 ) for averaging over several modulation periods.

4. Laser sensor according to claims 1 to 3, characterized in that the shape and the intensity distribution of the two laser beams len ( 13 b, 14 b) and the shape and reflectivity of the two objects ( 13 a, 14 a) matched to one another are that if the relative position between the laser sensor ( 12 ) and the objects ( 13 a, 14 a) deviates from a predetermined target position as a measurement signal ( 19 ), a control signal ( 19 ) approximates proportional to the deviation from the target -Location results.

5. Laser sensor according to claims 1 to 4, characterized in that both am / cw diode lasers ( 13 , 14 ) are repeatedly briefly driven without phase shift in common mode by the oscillator ( 15 ), and that during these periods the power of the two diodes Laser ( 13 , 14 ) is controlled in such a way that at the output of the rectifier ( 18 ) now the sum of the receiving intensities of both laser impact surfaces ( 13 a, 14 a) forming the power control signal ( 19 a) is kept constant.

6. Laser sensor according to claim 5, characterized in that switching between measurement and power control back and forth that by means of a switch ( 23 ) of the diode laser ( 14 ) is switched between push-pull and common mode to the diode laser ( 13 ), the output the low-pass filter ( 18 ) applied measuring signal ( 19 ) to a sample-and-hold stage ( 21 ) and the now inactive measuring signal ( 19 ) is held at its last value before switching, and that a discriminator ( 22 ) outputs a signal to the switch ( 23 ) for switching to power control when the measurement signal ( 19 ) present at the discriminator ( 22 ) is approximately equal to zero, after which the switch ( 23 ) sends a signal to the "hold" input ( 21 b) delivers.